本公眾號昨天刊出國際計量委員會委員段宇寧先生撰寫的《國際計量委員會委員段宇寧談國際單位制的重新定義》後，受到廣大讀者的熱烈歡迎，段宇寧委員在文中特別提到，即將到來的2018年11月是國際單位制重新定義的時間節點，這是自米制公約誕生之後計量世界中一個最重大的、革命性的事件，測量科學由此邁出關鍵的一步，量值統一的途徑進一步拓展和高效。
2018年世界計量日活動的主題是「國際單位制（SI）量子化演進」，為使大家更好地理解今年的主題，我們將陸續請相關專家撰文，對國際單位制七個基本單位（時間單位「秒」、長度單位「米」、質量單位「千克」、熱力學溫度「開爾文」、電流單位「安培」、發光強度單位「坎德拉」和物質的量單位「摩爾」）的演進進行解讀。
我們有幸請到中國計量科學研究院時間頻率方面的專家林弋戈、梁坤、方佔軍撰文解讀時間單位——秒的演進。
鬥轉星移，四季更替。宇宙中一切物質的起源和消失，地球上一切生命的誕生和滅亡，人類間一切活動的開始和結束，都和時間緊密聯繫在一起。那麼，世界這麼大，大家的時間是如何統一的呢？
秒定義和原子時的由來
人類對時間的認識，總的來說，經歷了一個從天文時、世界標準時到原子時的過程。
自古以來，人類通過對日月星辰的觀察，將1小時分為60分鐘，1分鐘又分為60秒，也就是一天為86400秒，從而得到了秒長，也稱為天文時。
到了工業革命初期，世界各地的時間還沒有統一的標準，導致火車剮蹭與相撞事故時有發生。隨著鐵軌、電報大規模建設，人們對時間誤差的容忍度越來越低。1884年10月13日，格林尼治時間正式被採用為國際標準時間。1937年，國際天文學會議提出了格林尼治時間的精確版——世界標準時（UT）。
可是此後天文學家發現地球自轉和公轉運動的周期不是恆定不變的，而是時快時慢。如果地球轉速不同，「一天」的長度就不同，「一秒」的長度也不同。隨著量子物理學的建立，科學家認識到原子內電子能級間的特徵躍遷頻率，具有比天文現象高得多的穩定度，更不易受到外界的幹擾，更適用於作為時間標準。
1955年，世界第一臺銫原子鐘誕生。1961年，國際計量委員會就提議採用銫原子基態躍遷作為秒定義的候選。到1967年，第13屆國際計量大會通過了基於銫原子躍遷的新的秒定義，即銫133原子基態的兩個超精細能階間躍遷對應輻射的9192631770個周期的持續時間。
至此，「原子秒」取代了「天文秒」。這是現代計量史上具有劃時代意義的重大事件。
秒重新定義將帶來重大影響
近年來，光鐘的研究越來越多地進入人們的視野。國際上從20世紀70年代末就開始了光鐘的研究，進入21世紀以來，在雷射冷卻和飛秒光梳技術的推動下，光鍾研究得到了快速發展，在光鐘的研究過程中產生了兩項諾貝爾物理獎。理論上，光鐘的不確定度能達到甚至超過10-18量級，優於銫噴泉鍾兩個數量級。2015年，時間頻率諮詢委員會（CCTF）給出了修改秒定義的路線圖，並提出2025-2028年，秒定義可能會基於光鍾而再次修改。
隨著秒定義的量子化，「時間」成為準確度最高、應用最廣的物理量，其不確定度遠遠低於其他基本單位數個量級，使得時間單位「秒」成為國際單位制7個基本單位中最準確和最基礎的。秒定義的量子化直接改變了長度基本單位米（m）的定義，目前米定義依賴於秒定義和光速（基本常數）導出；電學重要單位伏特（V）直接以頻率定義；許多其他物理量，如距離、位移、加速度、溫度、力等轉化為時間頻率來測量可提高測量準確度。這使得在計量領域，時間頻率計量成為保證許多測量量值準確可靠的基礎。可以說，原子時誕生50年來，打開了國際單位制（SI）量子化的大門。因此，秒重新定義後，也將影響國際單位制中的其他基本單位，由此產生的重大影響引發了國際的普遍關注。
原子秒確立後，使得時間頻率測量可應用到許多高技術領域，如衛星導航、通信、電力、交通、金融等。時間頻率是電網精確同步、金融交易、電子商務等準確可靠的保障。
受益於基於原子鐘的時間同步技術的發展，目前我國電網運行需要時間同步水平達到1μs；採用5G技術的通信基站之間的時間同步準確度達到100ns，使得一部電影的下載從幾天縮短到幾十秒；我國未來5G網絡中，各基站間要求時間同步水平達到幾十納秒。金融市場的時間同步目前我國沒用明確的條文約定。在歐美，金融市場時間需要同步到協調世界時（UTC），同步水平最高要求1μs，微小的時間延遲可能意味著巨大的損失。電力系統中，可通過精密計時快速診斷故障所在位置。此外，精密時間頻率計量給眾多行業帶來了巨大的變化，如網約車、共享單車、無人駕駛汽車等網際網路經濟模式，通過手機應用實現準確定位。這些需求都由精密時間頻率量值及其測量實現。
目前，時間頻率最典型的應用就是衛星導航定位產業。
利用導航衛星進行定位時，會受到各種各樣因素的影響，主要誤差來源可分為三類：與導航衛星有關的誤差；與信號傳播有關的誤差；與接收設備有關的誤差。其中與導航衛星有關的誤差中，衛星鐘差——即衛星上原子鐘的鐘面時與標準時間的差別，是非常重要的一項誤差源。
每個導航衛星連續不斷地發播時間信息，精確的軌道信息（星曆）等。接收機通過測量信號的傳送時間，計算出每顆衛星的距離。距離等於時間乘光速，因為光速很快，非常小的衛星信號時間差就會導致測量上的巨大誤差。1米的導航準確度要求所有衛星上星載鐘的時間同步在3ns之內。
正是由於精密時間頻率測量，才構造出當今世界人類處處依賴的定位準確度可達幾米乃至幾毫米的衛星導航定位系統及其相關技術。目前，國際上主要發展了4種各自獨立的衛星定位系統：美國的全球定位系統（GPS）、俄羅斯的格洛納斯（GLONASS）系統、歐洲的伽利略（GALILEO）系統和中國的北鬥（BDS）系統。
前型率光鐘的研究越來越多地進入人們的視野。其實在衛星定位系統中，衛星是實現定位導航的載體，真正實現定位導航功能的是搭載在衛星上的星載原子鐘及地面上對星載原子鐘實施校準的地面基準鍾。所有的星載鍾需要地面守時鐘組產生的時標定期校準以保證其準確度。提高定位準確度可以通過提高校準頻率或者提高星載鐘的穩定度實現。我國獨立自主建立的北鬥衛星導航系統，帶動了時間頻率產業的發展。與北鬥相配套的各類原子鐘，包括星載銣鍾、守時氫鍾、守時銫鐘和地面噴泉基準鍾等，其穩定度、不確定度指標和可靠性得到了快速的提升，未來星載原子鐘的頻率穩定度優於5×10-14/天。各種配套北鬥終端、接收機、導航儀、晶片產業都快速興起，我國的北鬥產業向著知識密集型的方向發展，促進了國民經濟的健康快速發展。北鬥導航系統大大促進了我國軍隊的現代化，改變了我國軍隊定位授時嚴重依賴GPS的尷尬局面，使得我國部隊戰鬥力更加強大還不會受制於人。
目前，基於光頻量子躍遷的原子光鐘的不確定度有望超過10-18量級。正在開展的實際應用，是用可移動的光鍾和光纖時頻傳遞網絡來進行釐米量級的大地水準測量。在「原子秒」定義修改以來的50年間，秒定義復現的不確定度指標提高了6個數量級。對未來修改秒定義，科學家目前還無法充分預期這種修改會對社會生產和生活帶來多大的影響，但是可以肯定的是，這會打開各種可能性，使得我們原來不敢想的事情變為現實。
我國為應對秒定義開展的時間頻率研究
中國計量科學研究院從20世紀60年代便開始時間頻率基準的研製。從熱束型銫基準鍾，到雷射冷卻銫原子噴泉鍾，再到鍶原子光晶格鍾，幾代人的不懈努力與傳承，逐步紮實地掌握了時間頻率基準研製的核心技術，在時間頻率計量領域始終緊跟國際前沿，以最成熟的技術和思想構建國家最高精度的時間頻率基準。
2010年，中國計量科學研究院研製的第二型NIM5銫噴泉鍾實現了1.5×10-15相對頻率不確定度，相當於2000萬年不差一秒，創造了準連續運行率99.2%的世界最高水平。2014年，NIM5銫噴泉鐘被接收為國際計量局認可的基準鍾之一，參與駕馭國際原子時（TAI）。這標誌著我國繼法、美、德、意、日、英、俄7國之後，成為國際計量局認可的參與修正國際原子時的國家，也意味著我國在國際原子時合作中，第一次擁有了「表決權」。
與NIM5同步研製的NIM5-M銫噴泉鍾於2009年9月交付衛星定位中心實驗室，不確定度達5×10-15。中國計量科學研究院在國際上首次利用銫噴泉鍾直接駕馭氫鍾產生中國計量科學研究院原子時TA-c（NIM）的實驗獲得了很大的成功。單臺噴泉鍾駕馭單臺氫鐘的原子時不確定度優於6×10-15。這個實驗開闢了全新的實驗室守時新方案，對中國時標的發展具有重要意義。
現在，中國計量科學研究院國家時間頻率計量中心保存的我國國家秒長基準——雷射冷卻銫原子噴泉鍾NIM5和國家時標基準UTC（NIM），共同構成中國的時間頻率基準。這是我國時間頻率計量體系的源頭，其基本作用就是保持時間的連續運行，產生和保持高度準確、穩定的國家統一使用的標準時間——北京時間，同時產生高度準確的頻率值，用於國內的量值傳遞。
目前，中國計量科學研究院正在進行新一代銫原子噴泉鍾NIM6的研製。而從2006年開始，該院已著手研製鍶原子光晶格鍾。2015年，鍶原子光晶格鐘不確定度達到2.3×10-16，相當於1.3億年不差一秒，成為我國第一臺基於中性原子的光鍾。
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